Презентация на тему Логические основы компьютера

логики, разработанная Дж. Булем. Знания из области математической логики

можно использовать для конструирования различных электронных устройств.
Нам известно, что 0 и 1 в логике не просто цифры, а обозначение состояний какого-то предмета нашего мира, условно называемых "ложь" и "истина". Таким предметом, имеющим два фиксированных состояния, может быть электрический ток. Были созданы устройства управления электричеством - электронные схемы, состоящие из набора полупроводниковых элементов. Такие электронные схемы, которые преобразовывают сигналы только двух фиксированных напряжений электрического тока стали называть логическими элементами.
Логические элементы — это электронные устройства, которые преобразуют проходящие через них двоичные электрические сигналы по определенному закону.
Логические элементы имеют один или несколько входов, на которые подаются электрические сигналы, обозначаемые условно 0, если отсутствует электрический сигнал, и 1, если имеется электрический сигнал.
Также логические элементы имеют один выход, с которого снимается преобразованный электрический сигнал.
Было доказано, что все электронные схемы компьютера могут быть реализованы с помощью трёх базовых логических элементов И, ИЛИ, НЕ.

выполняющий функцию отрицания (инверсию). У этого элемента один вход

и один выход. На функциональных схемах он обозначается:

Если на вход поступает сигнал, соответствующий 1, то на выходе будет 0. И наоборот.

называется дизъюнктор. Он имеет, как минимум, два входа. На

функциональных схемах он обозначается:

Если хотя бы на один вход поступает сигнал 1, то на выходе будет сигнал 1.

называется конъюнктор. Он имеет, как минимум, два входа. На

функциональных схемах он обозначается:

На выходе этого элемента будет сигнал 1 только в том случае, когда на все входы поступает сигнал 1. Когда хотя бы на одном входе будет ноль, на выходе также будет ноль.
     

Другие логические элементы построены из трех простейших базовых элементов и выполняют более сложные логические преобразования информации.

базовых при создании более сложных элементов и схем.
Логический

элемент И-НЕ выполняет логическую функцию штрих Шеффера (И-НЕ), он имеет, как минимум, два входа. На функциональных схемах он обозначается:      

     Логический элемент ИЛИ-НЕ выполняет логическую функцию стрелка Пирса (И-НЕ), он имеет, как минимум, два входа. На функциональных схемах он обозначается:

.

Логический элемент И-НЕ

Логический элемент ИЛИ-НЕ

на вход другого элемента, это дает возможность образовывать цепочки

из отдельных логических элементов — функциональные схемы.
Функциональная (логическая) схема – это схема, состоящая из логических элементов, которая выполняет определённую функцию. Анализируя функциональную схему, можно понять, как работает логическое устройство, т.е. дать ответ на вопрос: какую функцию она выполняет.

Ясно, что элемент “И” осуществляет логическое умножение значений ¬А и В. Над результатом в элементе “НЕ” осуществляется операция отрицания, т.е. вычисляется значение выражения:

Таким образом структурной формулой данной функциональной схемы является формула:

Важной формой описания функциональных схем является структурная формула. Покажем на примере, как выписывают формулу по заданной функциональной схеме.

таблицу истинности, то есть таблицу значений сигналов на входах

и выходах схемы, по которой можно понять какую функцию выполняет данная схема. Таблица истинности - это табличное представление логической (функциональной) схемы в котором перечислены все возможные сочетания значений входных сигналов вместе со значением выходного сигнала для каждого из этих сочетаний.
Составим таблицу истинности для данной логической схемы:

Начертим таблицу: количество столбцов = количество входов + количество выходов, количество строк = 2 (количество входов). В данной таблице 3 столбца и 4 строки. Заполним первые столбцы всеми возможными вариантами входных сигналов

по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы. Результат,

полученный на выходе (С=1), запишем в таблицу.

Рассмотрим второй вариант входных сигналов: А=0, В=1. Проследим по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы. Результат, полученный на выходе (С=0), запишем в таблицу.

Рассмотрим третий вариант входных сигналов: А=1, В=0. Проследим по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы. Результат, полученный на выходе (С=1), запишем в таблицу.

по схеме, как проходят и преобразуются входные сигналы. Результат,

полученный на выходе (С=1), запишем в таблицу.

В результате получаем таблицу истинности данной логической схемы:

Задание. Построить таблицу истинности для данной логической схемы и записать формулу для данной схемы:

компьютере сводится к выполнению процессором различных арифметических и логических

операций. Для этого в состав процессора входит так называемое арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно состоит из ряда устройств, построенных на рассмотренных выше логических элементах. Важнейшими из таких устройств являются триггеры, полусумматоры, сумматоры, шифраторы, дешифраторы, счетчики, регистры.
Выясним , как из логических элементов разрабатываются логические устройства.

следующих этапов:
     1. Построение таблицы истинности по заданным условиям

работы проектируемого узла (т.е. по соответствию его входных и выходных сигналов).
2. Конструирование логической функции данного узла по таблице истинности, её преобразование (упрощение), если это возможно и необходимо.
     3. Составление функциональной схемы проектируемого узла по формуле логической функции.
     После этого остается только реализовать полученную схему.

логическую функцию по данной таблице истинности:
Упростим полученное логическое выражение:
Построим

логическую схему для данного выражения:

сложения двух двоичных чисел (одноразрядный полусумматор).      Пусть нам необходимо сложить

двоичные числа А и В. Через P и S обозначим первую и вторую цифру суммы: A + B = PS. Вспомните таблицу сложения двоичных чисел.      1. Таблица истинности, определяющая результат сложения, имеет вид:

2. Сконструируем функции P(A,B) и S(A,B) по этой таблице:

Преобразуем вторую формулу, пользуясь законами логики:

Чтобы убедиться в том, как работает схема, проследите за

прохождением сигналов в каждом из четырёх случаев и составьте таблицу истинности данной логической схемы.

Условное обозначение одноразрядного сумматора:

выхода называется полным одноразрядным сумматором.      Логика работы одноразрядного сумматора на

три входа или полного сумматора приведена в таблице, где А, В - суммируемые двоичные цифры , Pо - перенос из младшего разряда, S - образующаяся сумма данного разряда и осуществляет перенос P в следующий старший разряд.

Полный одноразрядный сумматор.

Формула переноса:

.

Формула для вычисления суммы:

Теперь можно построить схему полного одноразрядного сумматора с учётом

переноса из младшего разряда.

двоичных чисел поразрядным сложением. Сумматор является центральным узлом арифметико-логического

устройства процессора. Находит он применение и в других устройствах компьютера. В реальных электронных схемах сумматор изображается так:

Сумматор выполняет сложение многозначных двоичных чисел. Он представляет собой последовательное соединение одноразрядных двоичных сумматоров, каждый из которых осуществляет сложение в одном разряде. Если при этом возникает переполнение разряда, то перенос суммируется с содержимым старшего соседнего разряда.
На рисунке показано, как из N сумматоров можно составить устройство для сложения двух N-разрядных двоичных кодов, это схема многоразрядного сумматора.

одноразрядного двоичного кода.      Воздействуя на входы триггера, его переводят в

одно из двух возможных состояний (0 или 1). С поступлением сигналов на входы триггера в зависимости от его состояния либо происходит переключение, либо исходное состояние сохраняется. При отсутствии входных сигналов триггер сохраняет свое состояние сколько угодно долго.      Термин триггер происходит от английского слова trigger - защёлка, спусковой крючок. Для обозначения этой схемы в английском языке чаще употребляется термин flip-flop, что в переводе означает "хлопанье". Это звукоподражательное название электронной схемы указывает на её способность почти мгновенно переходить ("перебрасываться") из одного электрического состояния в другое.      
Существуют разные варианты исполнения триггеров в зависимости от элементной базы (И-НЕ, ИЛИ-НЕ) и функциональных связей между сигналами на входах и выходах (RS, JK, T, D и другие).      Самый распространённый тип триггера - это RS-триггер (S и R соответственно от английских set - установка, и reset - сброс). Условное обозначение RS-триггера:

НЕ либо И – НЕ. Как, правило, триггер имеет

2 выхода: прямой и инверсный Q и

.

Как он работает? Пусть на вход элемента №1 подан сигнал 1, а на вход элемента № 3 - 0. На выходе элемента №1 независимо от того, какой второй сигнал поступит на вход, будет 1, т.к. это элемент ИЛИ (по свойствам дизъюнкции). Пройдя через элемент № 2 сигнал примет значение 0 (Q=0). Следовательно, и на втором входе элемента № 3 установится сигнал 0. На выходе элемента №3 - 0. Пройдя через элемент № 4 сигнал изменится на 1. Следовательно, = 1. Убедимся, что данное устройство сохраняет информацию. Запомните, что S=0, R=1, Q=0, =1. В момент прекращения входных сигналов (S=0, R=0) на выходе =1. Это напряжение подается на вход элемента № 1. На выходе элемента №1 сохраняется 1, и на Q - сигнал 0. На входах элемента №3 - 0, следовательно =1. Таким образом, при отсутствии на внешних входах сигналов 1 триггер поддерживает постоянное напряжение на своих выходах. Чтобы изменить напряжение на выходах триггера, надо подать сигнал 1 на вход элемента № 3. Тогда Q=1, =0.

запоминания многоразрядных кодов и выполнения над ними некоторых логических

преобразований называется регистром.

Упрощенно регистр можно представить как совокупность ячеек, в каждой из которых может быть записано одно из двух значений: 0 или 1, то есть один разряд двоичного числа.

С помощью регистров можно выполнять следующие операции: установку, сдвиг, преобразование. Основными типами регистров являются параллельные и последовательные (сдвигающие).
Совокупность регистров, используемых ЭВМ для запоминания программы работы, исходных и промежуточных результатов называется оперативной памятью (ОП).
Регистры содержатся в различных вычислительных узлах компьютера - процессоре, периферийных устройствах и т.д.

Регистр - это устройство, предназначенное для хранения многоразрядного двоичного числового кода, которым можно представлять и адрес, и команду, и данные.

Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

     сдвиговый регистр - предназначен для выполнения операции сдвига;      счетчики - схемы, способные считать поступающие на вход импульсы. К ним относятся Т-триггеры (название от англ. tumble - опрокидываться). Этот триггер имеет один счетный вход и два выхода. Под действием сигналов триггер меняет свое состояние с нулевого на единичное и наоборот. Число перебрасываний соответствует числу поступивших сигналов;      счетчик команд - регистр устройства управления процессора (УУ), содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;      регистр команд - регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные - для хранения кодов адресов операндов.
В ЭВМ применяются регистры 8, 16, 32, 48 и 64 разрядов.